Авторы: П.А. Киселев, учредитель ООО «Научно-производственное объединение «Керамет» (ООО «НПО «Керамет»)

С.Ю. Нагавкин, управляющий директор ООО «Керамет порошковая металлургия — Насосное производство» (ООО «КПМ-НП»)

Т.Ю. Поздеева, к.т.н, инженер-исследователь ООО «Научно-производственное объединение «Керамет» (ООО «НПО «Керамет»)

А.Л. Андреев, технический директор ООО «Научно-производственное объединение «Керамет» (ООО «НПО «Керамет») 

Современные технологии аддитивного производства открывают новые горизонты в различных отраслях, включая машиностроение и разработку насосного оборудования. Одним из перспективных направлений является технология струйного нанесения связующего Metal Binder Jetting (MBJ), позволяющая производить металлические детали с высокой точностью и сложной геометрией. В данной статье будет рассмотрено применение MBJ для изготовления ступеней погружных электроцентробежных насосов (ЭЦН), а также особенности данной технологии.

Стоит отметить, что сравнение MBJ с другими технологиями производства по технико-­экономическим критериям позволяет сделать вывод о том, что MBJ обладает самыми оптимальными параметрами при внедрении в серийное производство ступеней погружных электроцентробежных насосов (ЭЦН) — табл. 1.

Принцип технологии Metal Binder Jetting

Технология MBJ основана на послойном нанесении металлического порошка, который связывается с помощью специального жидкого связующего агента. В начале печати на платформу наносят тонкий слой порошка, на который распыляется связующее вещество, которое склеивает его частицы. После этого происходит повторное нанесение слоя порошка, и процесс повторяется, пока не будет сформирована деталь. После завершения печати следует удаление связующего и спекание, в результате чего получается прочное металлическое изделие с высокими физико- механическими свой­ствами [1–2].

Преимущества применения MBJ в производстве ступеней ЭЦН

Сложная геометрия и оптимизация гидравлических характеристик. Одним из главных преимуществ MBJ является возможность создания деталей высокой сложности. Оптимизация гидравлических характеристик может повысить эффективность работы насоса. Например, возможна печать высокоэффективных рабочих ступеней с направляющими аппаратами радиального типа, состоящих из одной детали, а не из трех, как в стандартной технологии. Можно создать сложные внутренние каналы, которые увеличат эффективность потока и снизят потери энергии. Это может привести к повышению КПД насосов и снижению эксплуатацион-

ных расходов.

Снижение массы. Оптимизация конструкции ступеней снижает их вес, что актуально для погружных насосов, которые работают на больших глубинах, где каждая единица массы может влиять на эффективность работы и устойчивость оборудования.

Экономия материалов. Порошковый материал используется более эффективно по сравнению с традиционными методами обработки такими — как литье по выплавляемым моделям или порошковая металлургия.

Снижение производственных затрат. Совмещение процессов проектирования и производства в одной технологии сокращает время и затраты на разработку новых моделей насосов. Быстрое прототипирование позволяет тестировать и оценивать различные конструкции ступеней, что способствует более гибкому подходу в разработке.

Кастомизация. Быстрая адаптация конфигурации под требования клиентов и высокая степень детализации делает MBJ идеальным решением для специализированных насосных систем, где стандартные решения могут быть неэффективными.

Устойчивость к коррозии. Некоторые производители уже начали экспериментировать с новыми сплавами, которые могут быть использованы в MBJ для повышения коррозионной стойкости ступеней. 

Это особенно важно для насосов, работающих в агрессивных средах [3–4].

Практическое внедрение MBJ в производство

На базе ООО «Керамет порошковая металлургия — Насосное производство» (ООО «КПМ-НП», г. Пермь), запущено опытное производство ступеней ЭЦН с использованием MBJ с целью замены технологии ЛВМ из легированного чугуна (нирезиста). При замене технологии происходит сокращение операций в два раза.

Благодаря проведению НИОКР и многостадийному процессу отработки технологии были получены ступени погружных электроцентробежных насосов (ТУ 28.13.14‑006‑38914042‑2017) на 3D-принтере Easy MFG 500 Max (Китай, рис. 1). 

Рис. 1. 3D-печать ступеней насосов 

Вместимость бункера 3D-принтера за один режим позволяет напечатать рабочих колес —  560 шт. или направляющих аппаратов — 180 изделий. Настраиваемые режимы печати: толщина слоя —  0,04 мм, скорость печати слоя — 17 сек, мощность установки — 2500 комплектов в месяц.

Спекание проводили в электропечи толкательного типа в восстановительной атмосфере при 1400°С из нержавеющих сталей 304L и 316L. На рис. 2 приведено фото спеченных рабочих колес и направляющих аппаратов, полученных по MBJ-технологии.

Рис. 2. Рабочее колесо и направляющий аппарат для ступеней ЭЦН, выполненные по MBJ-технологии

По результатам исследований физико-­меха-нических и структурных характеристик серии полученных изделий и стандартных образцов установлен следующий уровень свой­ств: плотность (ρ) 

7,5–7,7 г/см3, относительная плотность (ρотн) 95–97%, твердость (HRB): 70–92, предел прочности на разрыв (σ) до 470 МПа, линейная усадка до 15%.

Стоит отметить, что усадку изделий требуется учитывать еще на этапе построения CAD-модели конечного изделия до его печати и загрузки в ПО принтера. В проводимой работе использовали программы Materialise Magics и САПР «Компас 3D».

Получаемая микроструктура спеченных деталей представляет собой структуру, характерную для аустенитных сталей (рис. 3).

Рис. 3. Микроструктура спеченных MBJ-изделий из нержавеющей стали 316L

Заключение

MBJ позволяет создавать детали с высокой сложностью, оптимизировать их конструкцию и снижать затраты на производство. Однако для широкого внедрения необходимо преодолеть ряд вызовов, связанных с выбором материалов, качеством поверхности и требованиями к сертификации.

Проблемы с сертификацией связаны с тем, что требуется соответствие строгим стандартам качества и безопасности, что может быть сложным на этапе внедрения новой технологии.

Несмотря на сложности, MBJ представляет собой многообещающий перспективный инструмент для производства ступеней погружных ЭЦН. С развитием технологий аддитивного производства можно ожидать, что технология струйного нанесения связующего станет стандартом в производстве насосного оборудования, способствуя созданию более эффективных, надежных и адаптированных к специфическим требованиям решений.

В конечном итоге это может привести к значительному улучшению общей производительности насосных систем и снижению их эксплуатационных расходов, что будет выгодно как производителям, так и конечным пользователям. ■

Литература

1. Jayawardane H., Davies I.J., Gamage J.R. et al. Investigating the ‘techno-eco-efficiency’ performance of pump impellers: metal 3D printing vs CNC machining. Int J Adv Manuf Technol. 2022. 121 Р. 6811–6836.
2. Kandukuri S.Y., Ponfoort O. Additive Manufacturing for oil, gas and maritime: An evaluation of capabilities and potential / Metal Additive Manufacturing. 2022. V. 8. № 2. Р. 137–143.
3. Priyanka G., Varaprasada Rao Dr. M. Design and Additive Manufacturing of Pump Impeller using 3D Printing Technology // International Journal of Scientific Research in Science, Engineering and Technology // 2018. V. 4. Iss. 1. Р. 687–692.
4. Powder Metallurgy and Additive Manufacturing for Compressors and Pumps: A New Manufacturing Paradigm for Corrosion and Heat Resistant Alloys / P. Stella, F. Ceccanti, F. Cappuccini, M. Bellacci, S. Kemble, D. Vincenzo Biccari, G. Masi // ADIPEC. Abu Dhabi. 2022. SPE‑211141-MS.

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 2-2025